Quais são as principais considerações de design e engenharia na prototipagem rápida?

A prototipagem rápida é uma parte importante do processo de desenvolvimento de produtos modernos. Ao criar rapidamente protótipos de produtos, as empresas podem verificar o design, a funcionalidade e a experiência do usuário em um estágio inicial, reduzindo assim os riscos de desenvolvimento e melhorando a qualidade do produto. No entanto, a prototipagem rápida bem-sucedida não é tarefa fácil e requer a consideração de vários fatores-chave de design e engenharia. Este artigo explorará esses fatores-chave e explicará por que eles são importantes.

O que é prototipagem rápida?

A prototipagem rápida, em suma, refere-se ao uso de tecnologia de fabricação avançadaou software de design nos estágios iniciais de desenvolvimento do produto para produzir um modelo preliminar ou protótipo rápido do produto a um custo menor e em menos tempo. Esses protótipos rápidos podem ser funcionais, cosméticos ou até mesmo uma combinação dos dois e são usados para testar, validar conceitos de design, avaliar a experiência do usuário, apresentar a investidores ou marketing.

O princípio é revisar e melhorar continuamente o design do produto por meio do ciclo de "construir-testar-aprender-feedback". Em comparação com o processo tradicional de desenvolvimento de produtos, a prototipagem rápida se concentra mais na velocidade e flexibilidade, permitindo que designers e engenheiros descubram e resolvam problemas no início do desenvolvimento do produto e evitem modificações caras e demoradas posteriormente.

Como funciona a prototipagem rápida?

Criação de design:Use software CAD para criar modelos 3D digitais de objetos. Esta etapa é crucial para estabelecer as bases para o protótipo.
Preparação dos dados:O modelo CAD é processado e convertido em um formato adequado para a tecnologia de prototipagem rápida escolhida, geralmente um arquivo STL.
Configuração da máquina:Preparar, calibrar e carregar uma máquina de prototipagem rápida com o material adequado, seja plástico, resina ou pó metálico.
Construção de protótipos:A máquina constrói o protótipo camada por camada de acordo com as especificações do modelo CAD.
Pós-processamento:Após o processo de construção, os protótipos geralmente requerem pós-processamento para obter o acabamento superficial ou as propriedades mecânicas desejadas. Isso pode incluir lixamento, pintura ou montagem.

Quais são as principais considerações de design na prototipagem rápida?

1. Seleção de material

Plástico:O plástico está se tornando o material preferido para prototipagem rápidadevido às suas excelentes capacidades de modelagem, baixa sobrecarga e facilidade de manuseio. Eles podem imitar as características visuais e táteis finais do produto e são adequados para a maioria dos cenários de aplicação. Ao selecionar um material plástico, considere cuidadosamente suas propriedades em termos de resistência, tenacidade, resistência ao calor e resistência ao ataque químico.
Metal: Devido à sua alta resistência à compressão, forte rigidez e excelente condutividade elétrica, essas características o tornam um material protótipo adequado para altas capacidades de carga ou uso em ambientes extremos. No entanto, o custo de fabricação do metal é relativamente alto e o processo de fabricação é relativamente difícil. Ao selecionar materiais metálicos, densidade, dureza, resistência à corrosão e soldabilidade devem ser cuidadosamente pesadas.
Materiais compósitos: Esses materiais compósitos são compostos por duas ou mais substâncias com propriedades diferentes e combinam as vantagens de cada um desses três tipos de materiais. Eles apresentam altas propriedades mecânicas, peso leve e excelente resistência à corrosão, e são particularmente adequados para aplicações com requisitos de alto desempenho. No entanto, os materiais compósitos são geralmente mais caros e seus processos de produção são relativamente complexos.

2. Complexidade do modelo de protótipo

A complexidade do modelo de protótipo deve ser determinada com base nos requisitos. Quanto maior a complexidade, maior o tempo de processamento e o custo necessários.

Protótipo simples:Ideal para verificação inicial de conceitos de design e funcionalidade. Protótipos simples podem ser feitos rapidamente, a baixo custo e são fáceis de modificar e iterar.
Protótipos complexos:Para aplicações que requerem verificação detalhada dos detalhes e desempenho do projeto. Protótipos complexos exigem maior precisão de usinagem e tempos de produção mais longos, mas podem fornecer feedback de projeto mais detalhado.

3. Exatidão e precisão

Garantir a precisão de peças rápidas para atender às necessidades de aplicação do mundo real é um objetivo importante da prototipagem rápida. Para tal, é necessário tomar as seguintes medidas:

Escolha equipamentos de alta precisão:Escolha equipamentos de prototipagem rápida com alta precisão e estabilidade, como estereolitografia (SLA), sinterização seletiva a laser (SLS), etc. Essas máquinas podem fornecer alta precisão de usinagem e qualidade de superfície.
Otimize os parâmetros de processamento:Otimize os parâmetros de processamento, como potência do laser, velocidade de varredura, espessura da camada, etc., de acordo com as características do material e equipamento selecionados. A otimização desses parâmetros pode melhorar a precisão e a qualidade da superfície do protótipo.
Pós-processamento:Por meio do pós-processamento, como lixamento, jateamento, pintura, etc., a precisão e a qualidade da superfície do protótipo podem ser melhoradas ainda mais. Esses tratamentos removem defeitos como rebarbas, manchas e irregularidades da superfície do protótipo, aproximando-o da aparência do produto final.

4. Tratamento de superfície

Escolher o acabamento certo pode simular a aparência do produto final, aumentando o realismo e a usabilidade do protótipo. Aqui estão alguns métodos comuns de tratamento de superfície:

Pintura:A pintura é um tratamento de superfície comum que pode fornecer um efeito rico em cores e brilho. Ao escolher uma tinta, você precisa considerar fatores como adesão, resistência à abrasão e resistência à corrosão.
Chapeamento:O revestimento pode formar uma fina película de metal na superfície do protótipo, melhorando sua dureza superficial e resistência à corrosão. O revestimento pode simular a aparência do metal e é adequado para aplicações que exigem melhor desempenho de superfície de protótipos.
Jateamento:O jateamento de areia pode remover rebarbas e manchas da superfície de um protótipo jateando partículas abrasivas enquanto aumenta sua rugosidade e textura. O jateamento de areia pode simular o efeito de superfície de materiais como metal ou plástico, aumentando o realismo dos protótipos.

Quais fatores de engenharia devem ser considerados na prototipagem rápida?

1. Escalabilidade
Escalabilidade significa que protótipos rápidos podem ser facilmente ajustados em proporção e tamanho durante o processo de design e fabricação para se adaptar às necessidades de design de diferentes tamanhos. Ao planejar a escalabilidade do seu protótipo, há alguns pontos a serem considerados:

Design modular:Adote ideias de design modular e divida o protótipo em vários módulos independentes. Desta forma, quando você precisar ajustar o tamanho do protótipo, você só precisa substituir ou adicionar ou excluir os módulos correspondentes.
Escala:Durante a fase de projeto do protótipo, o impacto de diferentes tamanhos no desempenho do protótipo deve ser totalmente considerado. Por meio do dimensionamento, você pode testar os efeitos do design em diferentes tamanhos para selecionar a solução de design ideal.
Compatibilidade de interface:Certifique-se de que as interfaces entre diferentes módulos sejam compatíveis para que possam se conectar e se encaixar perfeitamente ao redimensionar o protótipo.

2. Integridade Estrutural

A integridade estrutural refere-se à capacidade de um protótipo rápido de manter sua integridade estrutural e funcional quando submetido a estresse mecânico ou ambiental. Para garantir a integridade estrutural, os seguintes pontos precisam ser considerados:

Seleção de material:Selecione os materiais apropriados com base no ambiente de uso e nas condições de tensão do protótipo. Por exemplo, para protótipos que precisam suportar cargas maiores, materiais com alta resistência e tenacidade devem ser selecionados.
Projeto estrutural:Projete razoavelmente a estrutura do protótipo para evitar concentrações de tensão e elos fracos. Ao otimizar a estrutura, a capacidade de carga e a estabilidade do protótipo podem ser melhoradas.
Processo de fabricação:Escolha um processo de fabricação apropriado para garantir que o protótipo não seja danificado durante o processo de fabricação. Por exemplo, o uso da tecnologia de usinagem de precisão pode reduzir erros de usinagem e defeitos superficiais.

3. Velocidade e custo de prototipagem

No processo de prototipagem rápida, a velocidade e o custo da produção são duas considerações importantes. Para otimizar o processo de desenvolvimento, os seguintes pontos precisam ser considerados:

Seleção de tecnologia:Selecione a tecnologia de prototipagem rápida apropriada com base nas necessidades e no orçamento do projeto. Por exemplo, para protótipos que exigem alta precisão e estruturas complexas, tecnologias como estereolitografia (SLA) ou sinterização seletiva a laser (SLS) podem ser escolhidas.
Controle de custos:Durante o processo de prototipagem, os custos devem ser rigorosamente controlados. Ao otimizar o design e escolher os materiais e processos de fabricação corretos, o custo do protótipo pode ser reduzido.
Velocidade de produção:Com a premissa de garantir a qualidade do protótipo, aumente ao máximo a velocidade de produção. Ao adotar técnicas de fabricação eficientes e otimizar os processos de produção, o ciclo de produção do protótipo pode ser reduzido.

4. Flexibilidade de iteração

Flexibilidade iterativa significa que protótipos rápidos podem ser facilmente ajustados e iterados durante o processo de design para se adaptar a mudanças frequentes de design. Para garantir a flexibilidade da iteração, considere o seguinte:

Modularização do projeto:Divida o design do protótipo em vários módulos independentes para que possam ser facilmente substituídos ou modificados durante o processo de iteração.
Dimensionamento paramétrico:Use o método de design paramétrico para alterar a forma e o tamanho do protótipo ajustando os parâmetros. Isso aumenta a flexibilidade e a reutilização do projeto.
Controle de versão:Durante o processo de prototipagem, estabeleça um mecanismo de controle de versão. As alterações de design podem ser facilmente rastreadas e gerenciadas registrando alterações e diferenças para cada iteração.

Quais são os tipos de prototipagem rápida?

1. SLA

SLA é um processo industrial de impressão 3D, ou manufatura aditiva, que constrói peças em um pool de resina fotopolimérica curável por UV usando um laser controlado por computador. O laser é usado para traçar e curar uma seção transversal do design da peça na superfície da resina líquida. A camada solidificada é então abaixada logo abaixo da superfície da resina líquida e o processo é repetido. Cada camada recém-curada adere à camada abaixo dela. Esse processo continua até que a peça seja concluída.

Profissionais

Contras

Para modelos conceituais, protótipos cosméticos e projetos complexos, a SLA pode produzir peças com geometrias intrincadas e excelentes acabamentos superficiais em comparação com outros processos aditivos. O custo é competitivo e a tecnologia está disponível em várias fontes.

As peças prototipadas podem não ser tão fortes quanto as feitas de resinas de grau de engenharia, portanto, as peças feitas com SLA têm uso limitado para testes funcionais. Além disso, enquanto as peças passam por um ciclo UV para solidificar a superfície externa da peça, as peças construídas em SLA devem ser usadas com exposição mínima aos raios UV e à umidade para que não se degradem.

2. SLS

O SLS é um dos cinco processos aditivos disponíveis na Protolabs. Durante o processo SLS, um CO controlado por computador₂O laser atrai para um leito quente de pó à base de náilon de baixo para cima, onde sinteriza levemente (funde) o pó em um sólido. Após cada camada, um rolo coloca uma nova camada de pó em cima da cama e o processo se repete. O SLS usa pós de nylon rígido ou TPU elastomérico semelhantes aos termoplásticos de engenharia reais, de modo que as peças exibem maior tenacidade e são precisas, mas têm superfície áspera e carecem de detalhes finos. O SLS oferece um grande volume de construção, pode produzir peças com geometrias altamente complexas e criar protótipos duráveis.

Profissionais	Contras
As peças SLS tendem a ser mais precisas e duráveis do que as peças SLA. O processo pode fazer peças duráveis com geometrias complexas e é adequado para alguns testes funcionais.	As peças têm textura granulada ou arenosa e o processo tem uma escolha limitada de resina.

3. FDM

O FDM usa um método de extrusão que derrete e solidifica novamente a resina termoplástica (ABS, policarbonato ou mistura ABS/policarbonato) em camadas para formar um protótipo acabado. Por usar resinas termoplásticas reais, é mais forte do que o jateamento de aglutinante e pode ser de uso limitado para testes funcionais.

Profissionais	Contras
As peças FDM têm preços moderados, relativamente fortes e podem ser boas para alguns testes funcionais. O processo pode fazer peças com geometrias complexas.	As peças têm um acabamento superficial ruim, com um efeito ondulado pronunciado. É também um processo aditivo mais lento do que SLA ou SLS e tem adequação limitada para testes funcionais.

4. Usinagem CNC

Na usinagem, um bloco sólido (ou estoque de haste) de plástico ou metal é preso em uma fresadora CNC ou torno, respectivamente, e cortado em uma peça acabada por meio de um processo subtrativo. Este método geralmente produz resistência e acabamento superficial superiores a qualquer processo de manufatura aditiva. Ele também tem as propriedades completas e homogêneas do plástico porque é feito de blocos sólidos de resina termoplástica extrudada ou moldada por compressão, ao contrário da maioria dos processos aditivos, que usam materiais semelhantes ao plástico e são construídos em camadas. A gama de opções de materiais permite que as peças sejam feitas com as propriedades desejadas do material, tais como: resistência à tração, resistência ao impacto, temperaturas de deflexão térmica, resistência química e biocompatibilidade. Boas tolerâncias produzem peças adequadas para testes funcionais e de ajuste, gabaritos e acessórios e componentes funcionais para aplicações de uso final. Vários fabricantes, incluindo a Protolabs, usam processos de fresamento de 3 eixos e fresamento indexado de 5 eixos, juntamente com torneamento, para fabricar peças em uma variedade de plásticos e metais de nível de engenharia.

Profissionais	Contras
As peças usinadas têm bons acabamentos superficiais e são bastante fortes porque usam termoplásticos e metais de engenharia. Assim como a impressão 3D, os protótipos personalizados podem ser entregues em até um dia em alguns fornecedores.	Pode haver algumas limitações de geometria associadas à usinagem CNC e, às vezes, é mais caro fazer isso internamente do que os processos de impressão 3D. Como o processo está removendo o material em vez de adicioná-lo, o fresamento de rebaixos às vezes pode ser difícil.

5. Moldagem por injeção

A moldagem por injeção rápida funciona injetando resinas termoplásticas em um molde, assim como na moldagem por injeção de produção. O que torna o processo "rápido" é a tecnologia usada para produzir o molde, que geralmente é feito de alumínio em vez do aço tradicional usado em moldes de produção. As peças moldadas são resistentes e possuem excelentes acabamentos. É também o processo de produção padrão da indústria para peças plásticas, portanto, há vantagens inerentes à prototipagem no mesmo processo, se a situação permitir. Quase qualquer plástico de grau de engenharia ou borracha de silicone líquido (LSR) pode ser usado, de modo que o projetista não é limitado pelas limitações de material do processo de prototipagem.

Profissionais	Contras
As peças moldadas são feitas de uma variedade de materiais de engenharia, têm excelente acabamento superficial e são um excelente preditor de capacidade de fabricação durante a fase de produção.	Há um custo inicial de ferramental associado à moldagem por injeção rápida que não ocorre com nenhum dos processos aditivos ou com usinagem CNC. Portanto, na maioria dos casos, faz sentido fazer uma ou duas rodadas deProtótipos rápidospara verificar o ajuste e a função antes de passar para a moldagem por injeção.

6. Fabricação de chapas metálicas

A fabricação rápida de chapas metálicas é uma tecnologia de processamento de chapas metálicas eficiente e de alta precisão. Por meio do controle do computador, as chapas metálicas são cortadas, dobradas e soldadas de acordo com os requisitos do projeto para produzir rapidamente as peças necessárias. Essa tecnologia combina equipamentos CNC avançados, corte a laser, estampagem e outros métodos de processo para concluir a produção de peças de chapa metálica com formas complexas e requisitos de alta precisão em um curto espaço de tempo.

Profissionais	Contras
A tecnologia de fabricação rápida de chapas metálicas tem as características de alta eficiência, alta precisão, flexibilidade, baixo custo e proteção ambiental.	Altos custos de equipamentos, altos requisitos técnicos, altas taxas de refugo e altos custos de personalização, etc.

Como escolher a tecnologia de prototipagem rápida certa para o seu projeto?

1. Esclareça os requisitos do projeto:Esclareça qual é o objetivo da prototipagem, como validar conceitos de produtos, demonstrar recursos do produto, testar a experiência do usuário ou outros propósitos; Entenda quem são seus usuários-alvo, quais são suas necessidades, preferências e casos de uso; Determine o nível de detalhe e interatividade do protótipo com base nas necessidades do projeto. Por exemplo, se deve fazer um protótipo de esboço simples ou um protótipo interativo de alta fidelidade.
2. Avalie as capacidades técnicas da equipe:Considere as habilidades e a experiência dos membros da equipe e escolha técnicas de prototipagem com as quais eles estejam familiarizados ou que possam dominar rapidamente; Se a equipe precisar aprender uma nova tecnologia ou ferramenta, avalie o tempo e o custo do treinamento.
3. Considere as restrições de orçamento e tempo:Escolha uma tecnologia de prototipagem econômica com base em seu orçamento, considere a velocidade e o ciclo de iteração da prototipagem e garanta que a prototipagem e os testes sejam concluídos dentro de um tempo limitado.
4. Entenda as técnicas de prototipagem:As técnicas de prototipagem incluem esboços, protótipos de papel, wireframes, protótipos interativos e outros tipos. Compreender as características e o âmbito de aplicação de cada tecnologia; Escolha a ferramenta certa de acordo com o tipo de tecnologia. Por exemplo, para esboços, caneta e papel ou software de desenho podem ser usados; Para protótipos interativos, ferramentas de prototipagem como Axure, Mockplus e InVision podem ser escolhidas. Consulte as avaliações e comentários de outras equipes e usuários e escolha as ferramentas e técnicas de prototipagem mais bem avaliadas do mercado.
5. Escolha a tecnologia certa:Antes de fazer uma escolha formal, você pode experimentar uma variedade de tecnologias para entender e comparar suas vantagens, desvantagens e aplicações. Flexibilidade para ajustar as técnicas de prototipagem com base no progresso do projeto e no feedback da equipe.
6. Implementação e iteração:Desenvolver um plano de prototipagem detalhado de acordo com a tecnologia selecionada para garantir uma comunicação e colaboração eficazes entre os membros da equipe; Com base no feedback do usuário e nos resultados dos testes, os protótipos são continuamente iterados e otimizados.

Vantagem	Descrição
Encurte o ciclo de desenvolvimento	As ideias de design podem ser rapidamente transformadas em protótipos com determinadas funções ou peças fabricadas diretamente, acelerando o processo de desenvolvimento do produto.
Reduza os custos de produção	Ao reduzir o número de produções experimentais e evitar riscos causados pela produção em massa, os custos de produção são efetivamente reduzidos.
Alto grau de integração de tecnologia	Ele integra várias tecnologias, como engenharia mecânica, CAD, tecnologia de engenharia reversa, tecnologia de fabricação em camadas, tecnologia CNC, ciência dos materiais, tecnologia laser, etc.
Ampla seleção de materiais	Pode ser fabricado usando uma variedade de materiais metálicos e não metálicos, incluindo plásticos, metais, cerâmicas e muito mais.
Fácil de modificar e otimizar	Devido ao design digital e ao processo de fabricação, os designs dos produtos podem ser facilmente modificados e otimizados.
Alto grau de personalização	Capaz de realizar uma produção personalizada de acordo com as necessidades específicas dos clientes para atender às demandas diversificadas do mercado.

Longsheng